CN101858771A

CN101858771A - 混合层的检测方法和装置

Info

Publication number: CN101858771A
Application number: CN 201010180770
Authority: CN
Inventors: 周雷; 张桦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2010-10-13

Abstract

本发明公开了一种混合层的检测方法和装置，属于超声波应用技术领域。本发明方法包括：沿着和液面相交的方向移动超声波探头，在移动过程中，所述超声波探头沿着和液面平行的方向发射超声波，通过收集超声波的回波生成液体的纵切面超声波图像，通过所述超声波图像确定混合层的位置及分布状态。本发明装置包括超声波探头和传动装置，所述超声波探头位于液体中，沿着和液面平行的方向发射超声波；所述传动装置带动所述超声波探头沿着和液面垂直的方向移动。本发明可用于包括油品行业在内的众多工业领域。

Description

混合层的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及液层检测，尤其涉及一种基于超声波技术，用于检测液体储罐中的混合层所处位置及分布状态的方法及其装置，属于超声波应用技术领域。

背景技术

在工业生产中，液体储罐里常含有多种成分。在这种情况下，有可能存在多种物质混合的混合层。了解混合层在液体中的分布及混合层中各组分的分布，可以提高生产效率和产品质量。例如在油品行业，在原油生产中需要把原油中的油和水分离。而在油水分离过程中，存在着油和水的混合层，该状态也称为乳化层。需要对乳化层进行破乳才能使油水比较充分的分离。所以破乳过程中，对乳化层的厚度及乳化程度的实时了解和掌控，可提高油水分离的生产效率和油品质量。其他行业诸如食品、水处理等行业也都期望通过对混合层的了解来指导生产。

现有的技术，譬如射频导纳或者重力浮子等技术，都不能描述混合层的位置和混合层不同组分的分布状态。举例来说，在油品行业中，射频导纳的工作原理是把电极放入容器内，测量电级和罐壁之间的电容值。作为两极之间介质的油和水介电常数相差很大，油层所产生的电容值很小，可以忽略，电容值的大小基本由水层的高度来决定。所以根据测量电容的大小就能算出容器内水层的高度。这个电容值是个集中参数，它能表达容器中水层的高度，但不能反应出混合层的位置及状态。同样，重力浮子利用油水比重的不同，让浮子悬浮在油水界面处，也只能反映水层的高度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提出一种基于超声波技术的混合层检测方法及其系统。

本发明的混合层的检测方法包括：沿着和液面相交的方向移动超声波探头，在移动过程中，所述超声波探头沿着和液面平行的方向发射超声波，通过收集超声波的回波生成液体的纵切面超声波图像，通过所述超声波图像确定混合层的位置及分布状态。

其中，根据不同的使用需求，超声波探头可以连续移动或步进移动。在移动的过程中，超声波探头可以持续发射超声波以获得连续图像；对于无需检测的部分，超声波探头可以停止发射超声波以跳过该部分。

所述和液面相交的方向优选为和液面垂直的方向。在一般情况下，液面位于水平方向，则超声波探头优选在竖直方向上移动。但当超声波探头不适宜在竖直方向上移动时，比如液体储罐本身倾斜导致超声波探头不能竖直移动，则超声波探头可以倾斜移动，不影响最终的成像。

在生成超声波图像(简称成像)时，优选以高亮度表示大幅回波，以低亮度表示小幅回波。

为了满足成像的要求，超声波探头发射的超声波的波长小于反射界面尺寸的两倍，优选小于界面尺寸。在此情况下，将超声波探头发射的超声波的频率设置在2-10MHz的范围内能适应通常的工业应用需求。

本发明所述的混合层可以位于液体储罐所储存的液体中的任何位置，比如底部、中部、或者顶部。本发明所述的混合层指的是一相为液体的混合层，比如油水乳化层(两相均为液体)、固液混合层(一相为液体，另一相为固体)、或者混有固体颗粒的油水乳化层(一相为液体，另两相分别为液体和固体)。

基于上述方法的思想，本发明的混合层检测装置包括超声波探头和传动装置，所述超声波探头位于液体中，沿着和液面平行的方向发射超声波；所述传动装置带动所述超声波探头沿着和液面垂直的方向移动。

下面描述本发明的原理。

本发明利用了超声波探测的原理，对液体进行扫描成像，来获知混合层的分布位置及混合层中各组分的分布状态。通过超声波探头沿着平行于液面的方向(一般情况下是水平方向)发射超声波，并通过传动装置带动超声波探头在和液面相交的方向(优选竖直方向)移动，超声波探头经过一个行程的移动，发射的超声波束对它经过的区域就完成一次扫描。对超声波反射回波信号进行分析处理，就能还原出扫描区域内混合层的分布位置和混合层中各组分的分布状态图。

超声波探头扫描后能得知混合层的分布位置和混合层中各组分的分布，依据是超声波的反射回波信息。所以产生回波是成像的基础，而产生反射回波的条件有两个。其一是：回波产生在两种不同介质形成的界面(例如：油水乳化层中水中的油滴或油中的水滴，都存在油水界面)，并且产生界面的两种物质声阻抗差大于千分之一。其二是：发射的超声波波长要比反射界面的尺寸(即油滴的球面大小)要小。理论上当波长大于界面尺寸的两倍，则更容易发生衍射和散射，起不到反射的效果。换句话说，波长越小，能分辨的反射物越小。

有界面反射区域和无界面反射区域的表现出来的差异在于前者能产生一定幅度的回波，而后者无回波。把这种差异性用图像的方式来表现出来，就是成像。在成像中，确定产生反射的界面坐标位置，并用不同的亮度来区别于无反射区域，就能把扫描范围内的反射界面描绘出来。在本发明的描述中，把超声波探头发射方向称为X轴，传动装置带动探头移动的方向为Y轴。

1、反射界面坐标位置的确定

X坐标的确定可以根据同一脉冲波的发射波和反射波的时间差来得到反射界面到探头的距离。

Y坐标的确定，由于超声波束水平扫描，在产生反射回波那一时刻，反射界面的Y坐标和探头所处的Y坐标一致。所以确定探头的位置就能得知反射界面的Y坐标。探头位置的确定可以设定传动装置来解决。

2、反射界面的成像

有反射界面区域区别于无反射界面区域的特征，在于反射界面处有一个一定幅度的反射回波。在成像中用明暗度来表示回波幅度的大小，回波幅度大的位置亮度高，无反射区域成暗黑色。那么结合位置坐标，就能将反射界面描绘出来。

以油品行业中的油水乳化层来举例。当一束超声波在不同位置对油水乳化层扫描时，遇到水层中的油滴(如图1所示)，在油滴的前表面一部分超声波反射，另一部分超声波透射达到油滴的后表面，再次进行反射和透射。回波情况如图2所示，在界面处有反射的位置显示的是一个凸起的回波。这个凸起的回波在水平轴上的距离是根据同一脉冲波的发射和反射回波时间差计算得出。在成像中用亮度来代表凸起回波的幅度，就还原成油滴的表面形状(如图3所示)。亮度高的地方反射强，代表为油水界面，暗色地方为无界面反射，为单一的水或油区域。用明暗的差别就区分了有界面区域和无界面区域。由此将水中油滴的表面勾勒出来。

和现有技术相比，本发明的优势在于：

现有技术无法详细地描述混合层的位置及分布状态。本发明方法及其装置能够准确地描述混合层的位置以及其中各组分的分布状态。工业生产中混合层的识别一直缺少有效的方法，本发明填补了这一空白，能够为混合层的识别提供解决方法。

附图说明

图1表示水层中的油滴示意图；

图2表示图1情况下的超声波回波情况示意图；

图3表示图1情况下的超声波回波成像示意图；

图4表示实施例的混合层检测装置示意图；其中，1-传动装置；2-超声波探头；3-超声波；4-悬浮颗粒；5-液体罐壁；

图5表示实施例装置得到的回波曲线示意图；

图6表示实施例装置得到的回波成像示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步描述。

本实施例提供液体储罐中的混合层的检测装置，该装置如图4所示，由传动装置1和超声波探头2组成，传动装置1可以控制超声波探头2上下移动，超声波探头2可以向水平方向发射超声波并接收反射回波。

该装置能够直观的显示液体罐内扫描区域的各组分分布。根据需要扫描的液体范围(比如预计混合层位于储罐的中上部，则只从储罐顶部扫描到中部)，在传动装置1的控制下移动超声波探头2进行扫描。在不同位置得到的回波按照探头所在位置分别记录下来，就得到如图5所示的一组回波曲线。用亮度来代表回波幅度，就得到经过扫描的纵切面内完整的剖面图(如图6所示)。扫描线越密，则得到图形的细节越清晰。

经过扫描，无反射回波的区域都为暗黑色，可以确定为非混合层。有反射回波区域，则根据图像中的明暗特征，可以了解混合层中悬浮颗粒4(可以是液体，也可以是固体，或者固液混合物)的轮廓、位置及分布密度。由此即可认识混合层在液体储罐内的分布位置及混合层内各组分的分布状态。

本实施例装置进一步关注的是成像图像的质量要求，即分辨率。

1、X轴向分辨率

从图5上看，发射的脉冲超声波在界面处产生反射，由于单个脉冲波有一定的宽度，所以两个反射回波过于接近时，这两个反射回波就会叠加，形成一个更大的回波。因此无法区分前后两个反射界面。造成这种现象的原因有单个悬浮颗粒过小，造成前后两个反射界面过于接近；或者相邻的两个悬浮颗粒过于接近也能造成这种现象。理论上要把前后两个反射回波彻底区分开来，需要这两个反射界面之间的距离大于二分之一的脉冲宽度。

因此超声波脉冲宽度越窄，则X轴向的分辨率越高，据此可以根据实际的应用需求将脉冲宽度调整在合适的范围内。

2、Y轴向分辨率

当超声波探头做Y轴向移动时，水平超声波束以一定的波束宽度照射上下两个相邻的悬浮颗粒。要在所成的图像中区分上下两个颗粒，那么两个颗粒之间的间隙必须能识别，这是一个必要条件。也就是说，探头必须在某一位置时，超声波束恰好穿过两个颗粒之间的间隙，在波形图上没有任何反射回波，那么成像的图像中两个高亮度的颗粒之间有这么一条暗色的区域把两个颗粒的影像隔开。

因此超声波波束越窄，则能够穿过的间隙越窄，得到的Y轴向的分辨率越高，同样可以据此按照实际需求将波束调整在合适的范围内。

Claims

1.一种混合层的检测方法，该方法包括：

沿着和液面相交的方向移动超声波探头，在移动过程中，所述超声波探头沿着和液面平行的方向发射超声波，通过收集超声波的回波生成液体的纵切面超声波图像，通过所述超声波图像确定混合层的位置及分布状态。

2.如权利要求1所述的混合层的检测方法，其特征在于，在该方法中，沿着和液面相交的方向连续移动超声波探头，在移动过程中，所述超声波探头持续发射超声波。

3.如权利要求1或2所述的混合层的检测方法，其特征在于，所述和液面相交的方向是和液面垂直的方向。

4.如权利要求1所述的混合层的检测方法，其特征在于，在生成超声波图像时，分别以亮度的高低反映回波幅度的大小。

5.如权利要求1所述的混合层的检测方法，其特征在于，发射的超声波的波长小于反射界面尺寸的两倍。

6.如权利要求5所述的混合层的检测方法，其特征在于，发射的超声波的波长小于界面尺寸。

7.如权利要求1所述的混合层的检测方法，其特征在于，发射的超声波的频率在2-10MHz的范围内。

8.如权利要求1所述的混合层的检测方法，其特征在于，所述混合层是油水乳化层。

9.如权利要求1所述的混合层的检测方法，其特征在于，所述混合层是固液混合层。

10.一种混合层的检测装置，包括超声波探头和传动装置，所述超声波探头位于液体中，沿着和液面平行的方向发射超声波；所述传动装置带动所述超声波探头沿着和液面垂直的方向移动。